地下水氮污染机理及控制措施

地下水氮污染机理及控制措施
目录
1 我国地下水氮污染现状 (3)
2 地下水氮污染途径分析 (3)
2.1 通过包气带渗入 (3)
2.2 地表水侧向渗入 (3)
2.3 灌溉入渗 (3)
3 氮的转化机理分析 (4)
4 脱氮技术 (5)
4.1 物理化学法 (5)
4.1.1 电渗析 (5)
4.1.2 反渗透 (5)
4.1.3 离子交换法 (5)
4.2 化学方法 (6)
4.3 生物脱氮法 (6)
4.3.1 原位生物修复技术 (6)
4.3.2 异位生物修复技术 (7)
5 结语 (7)
参考文献： (8)
1 我国地下水氮污染现状
地下水作为人类生存空间的重要组成部分,为人类提供了优质的淡水资源。

但是,随着我国环境污染的日趋严重,主要的氮化合物为离子态的氨(NH
4
+-N)、亚
硝酸盐氮(NO
2--N)、硝酸盐氮(NO
3
--N)的三氮污染在地下水环境中尤为显著。

地下
水本身定循环更新速度慢,一旦受到某些物质污染则难以治理。

三氮污染尤其是硝酸盐污染与人类健康和生态系统密切相关,正受到人们广泛的关注。

我国的饮用水卫生标准规定，以地下水作为饮用水时，每升水中的硝酸盐氮不应超过20毫克。

世界卫生组织、欧盟和美国则规定，这一数值不应超过10毫克。

即使按低标准衡量，我国地下水硝酸盐超标的地区仍然很多，如北京、西安、沈阳、兰州、银川、呼和浩特等北方城市均有大面积超标区，有的地区超标倍数高达4－5倍。

北京市约有1/4的地下水硝酸盐超标。

2 地下水氮污染途径分析
2.1 通过包气带渗入
农田使用的氮肥，除一部分被植物吸收外，剩余部分残留在土壤里，在降水时，随雨水渗入地下污染地下水。

污染程度与渗水量多少、包气带岩性的厚度和土壤性质等因素有关。

2.2 地表水侧向渗入
生活污水和工业废水排入河道，不仅污染地表水，而且污染了的地表水又成为地下水的污染源。

降雨时农田径流带入地表水体的氮化物占各种活动排放入水体氮素的51%，施氮肥地区氮素的流失比不施地区高3~10倍。

通过河道侧向补给地下水的水源具有较高的含氮量，必然影响地下水水质。

污染的地表水要通过含水层中一段距离的渗透才能到达水源地。

在渗透过程中，地表水中所含污染物通过土层的自净作用，浓度有所降低。

地表水侧向渗入污染的特征是：污染影响仅限于地表水体的附近，呈带状或环状分布，污染程度取决于地表水污染程度、河道沿岸地质结构、水动力条件以及距岸边的距离。

2.3 灌溉入渗
利用地下水进行灌溉，使土壤中残留的氮化物随水渗入地下污染地下水。

利用污水进行灌溉，不仅把残留在土壤中的氮及其污染物带入地下，同时污水本身的污染物也渗入地下，造成双重污染。

3 氮的转化机理分析
地下水氮的转化直接影响氮在地下水中的积累，硝酸盐是地下水中氮的主要形态，亚硝酸盐既可以是硝化作用的产物，又可以是硝酸盐反硝化作用的中间产物，在溶液中很不稳定，氨在地下水中背景含量一般甚少。

地下水的氧化还原体系较复杂，主要由氧、硫、铁、锰等氧化还原体系所决定，铁多以Fe2+为主，锰多以Mn2+为主。

含Fe2+等还原性物质的地下水中，溶解氧偏低，处于厌氧环境。

当
单井地下水存在一系列还原性的物质，如Fe2+、Mn2+、H
2S、CH
4
(有机质分解)等物
质，这类地下水中NO3-不会大量积累。

氮类物质转化机理过程见图1。

图1 硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮转化机理示意图
含有上述还原性物质的地下水对地表渗入的NO3-不断进行还原作用（反硝化作用），反硝化过程使地下水中的硝酸盐含量降低。

反硝化作用使溶液中离子态NO3-、NO2-被还原为气态NH3、N2O、N2。

NH3水解成NH4+离子，在含还原性物质的地下水中NH4+含量相对较高。

中间产物的NO2-是极不稳定的，在还原条件下可还原
为NH
3和N
2
O、N
2
，在氧化条件下可转化为NO3-。

NO3-在还原条件下可被还原为NO2-。

在少数还原性水体中，由于NO3-污染，水体氮的转化还没达到动态的反硝化平衡，可能导致NO3-含量在地下水中暂时异常过高，出现污染现象。

在少数氧化性水体中，由于NO2-或NH4+直接污染，水体氮的转化还没达到动态的硝化平衡，导致NO2-或NH4+含量在地下水中暂时异常过高，出现污染现象。

4 脱氮技术
一些成熟技术,如离子交换法、沸石交换法、生物膜处理法、浮选生物处理法等,已经在地表水三氮处理中很好应用,并取得良好的治理成效。

长久以来,对转化和去除地下污水中的氮,人们进行了大量的工作,运用了各种可行的方法,主要方法有:物理法、化学法、离子交换法、人工湿地法、生物法及它们之间的组合。

工程技术方法方面,有抽取深部NO3--N浓度低的水混合、隔离抽出NO3--N浓度高的地下水。

现阶段主要有物理化学法、化学法、生物脱氮法三种处理三氮污染的方法。

4.1 物理化学法
4.1.1 电渗析
电渗析是一种较新的膜处理方法,原水通过交替阴阳离子的选择透过性,在直流电场中,NO3-通过膜孔与水分离,进入高浓度盐水一侧,从而使得NO3-得以去除。

此方法较复杂不常用。

4.1.2 反渗透
反渗透是另一种膜法水处理技术,利用压力使原水通过半透膜,只有水分子能穿过半透膜,其它溶质分子则被截留。

反渗透对硝酸根离子无选择性,在去除硝酸盐的同时也去除了其它无机盐,因此反渗透法会降低出水的矿化度。

4.1.3 离子交换法
强碱性树脂床处理的水的离子交换法,水中的硝酸根与氯离子或重碳酸根交换。

同时树脂不但不会向被处理水中释放有毒物质,还能吸附水中的微污染物。

目前,离子交换工艺已成为饮用水脱硝的主要手段之一。

这种强碱性阴离子交换树脂净化地下水三氮的方法,其特征在于以下步骤:①吸附:将温度为30～60℃,经过滤处理的污染地下水,流经充填有强碱性阴离子交换树脂的树脂床,树脂吸附地下水中的热稳态阴离子,使地下水得到净化;②再生:待所述树脂床中的树脂吸附饱和后,用碱金属氢氧化物水溶液冲洗所述树脂床,使所述树脂床中的树脂得到再生而基本恢复吸附能力,如图2所示。

研究表明部分再生(60%)比完全再生(95%)更为经济。

这样,可以循环利用树脂来去除三氮污染物。

离子交换工艺适合于中小城市使用,有效治理地下饮用水等污染,目前国外
已有多座离子交换脱氮厂投入运行。

图2 强碱性阴离子交换树脂净化地下水三氮
4.2 化学方法
化学方法是一种比较经济的去除地下水中硝酸盐的方法,现阶段主要利用铁离子和铝的粉末去除水体中的硝酸盐。

硝酸盐氮在铁、铝粉表面发生氧化-还原反应,与其金属粉可接触面积是影响反应的一个重要因素,增大接触面积,可以提高硝酸盐氮的去除率,在固定粒径时,铁、铝粉的加入量与去除率应有直接关系。

水中天然存在的矿化度、总硬度、微生物群系以及氟化物、氯酸盐等多种因素可能会对反应带来影响,也会使铁、铝粉表面生成的钝化膜存在着结构和组成上的差异,干扰反应的进程。

因此,在做金属还原除氮时,应仔细分析地下水所含有干扰性的阴阳离子,以便高效率的去除三氮污染物。

硝酸盐的还原产物可能是NO2-、NH
3(NH4+)、N
2
,而前两种副产物在饮用水中
是不希望出现的。

这也正是化学方法难以在去除饮用水硝酸盐领域中得到广泛应用的最大限制条件。

以铝、铁作还原剂时,去除效果最高可达到75%左右,主要以
CH
4+-N转化为NO
3
--N,少量的NO
3
--N转化为NO
2
--N,具体的反应条件因原水水质条
件的不同而不同,需通过实验予以确定。

4.3 生物脱氮法
4.3.1 原位生物修复技术
原位生物修复技术主要是用溶解有机碳如甲醇、乙醇、乙酸钠等及易氧化的固相有机碳如锯屑、草秸等来充当碳源,加上微生物的反硝化作用来达到去除水中硝酸盐氮的目的,同时可以要地上利用反应器去脱去硝酸盐,然后将处理过的水回灌。

该技术对地下污染进行处理比采用将污染水抽出来后再处理的方法耗时少,所需费用也较低,处理的污染范围比其它方法大,通常要驯化一些微生物,污染物的毒性有时会抑制原有微生物的活性,注入井由于投加营养物质时会被过度生长的微生物所堵塞。

对于渗透性较差的含水层实施起来有较大困难。

4.3.2 异位生物修复技术
异位生物脱氮技术可根据微生物所需碳源不同,分为异养生物脱氮技术和自养生物脱氮技术。

异养生物脱氮技术是以有机物(甲醇、乙醇、醋酸等)为反硝化基质。

自养型生物脱氮法不需向水体中投加有机碳源,目前还处在试验研究阶段。

在彻底消除地下水中硝酸盐污染和降低脱硝成本2个方面 ,生物反硝化方法是目前已投入实用的最好方法,具有高效低耗特点,但是生物方法仍有缺点:低渗透性土壤往往不宜采用生物修复技术;会导致出水中含有细菌和残留有机物,必须进行后处理保证饮用水质的安全性;反硝化速度慢、所需要反应器体积庞大、建设费用高;工艺复杂,运行管理要求较高,不适合用于小型或分散给水处理。

5 结语
我国地下水“三氮”污染呈逐渐增加的趋势,部分地区已经不适合饮用,今后的污染有进一步扩大的可能。

地下水中硝酸盐氮的修复与去除将是我国地下水污染防治工作的一项长期而艰巨的任务。

为了保护作为主要饮用水源之一的地下水,必需开展地下水污染防治工作。

这是地下水污染防治的重要意义之一。

根据地下水三氮污染的现状, 我们可以从两个方面入手, 来缓解当前的环境问题: ①解决三氮的来源,制定相关的法律法规, 严格控制工业、生活的污水排放。

新建和完善废水排污管网, 对污水进行脱氮处理后再排放。

对于农业上所使用的农药, 可以用绿色的有机含氮肥料来代替, 或是种一些豆类植物, 让其根部来提供氮元素。

②无论是物理、化学、还是生物脱氮方法, 都具有它自身的限制条件。

应该将他们综合起来, 研制一种新型综合脱氮技术。

它不仅在复杂的条件下可以进行, 而且可以提高脱氮的效率。

这样不但弥补了三种方法之间的不足, 而且能够更好地发挥他们在去除三氮时的优势。

控制地下水氮污染,不仅需要进行地下水氮污染修复技术的研究和推广应用,
更需要对产生氮污染的人为来源加强控制,抑制对地下水的进一步污染。

参考文献：
[1] 乔光建，张均玲，唐俊智.地下水氮污染机理分析及治理措施[J].水资源保护，2004,（3）:9-12.
[2] 刘祥栋，李合海，王立萍，周西俊. 临沂市农村饮用地下水氮类污染转化特性和防治对策[J]. 研究与探索，2009, (12):24-25.
[3] 李德彬, 张祺, 宋旭. 地下水三氮污染的现状及主要除氮方法[J]. 环境与可持续发展，2009, (5)：35-37.。